带电粒子在有界磁场中运动质谱仪解读
四极杆飞行时间质谱仪原理
四极杆飞行时间质谱仪原理
四极杆飞行时间质谱仪是一种常用于质谱分析的仪器。
其原理基于带电粒子在磁场中受到洛伦兹力以及电场力的作用，从而确定粒子的质量和电荷比。
该仪器由四根平行排列的金属杆（四极杆）组成，杆之间存在一定的电势差，形成一个电场。
在四极杆的两端还有一个均匀的磁场作用，形成一个向前加速粒子的区域。
当带电粒子进入仪器后，首先会在电场中加速，并沿着四极杆飞行。
同时，磁场会对粒子施加一个垂直于杆的洛伦兹力，使其偏离原来的路径。
由于电场和磁场力的施加方向不同，使得粒子在四极杆内做着动态的偏转运动。
根据四极杆飞行时间质谱仪的工作原理，可以将不同质量和电荷比的粒子分离出来。
因为不同质量和电荷比的粒子会受到不同大小的洛伦兹力和电场力的影响，从而在四极杆内拥有不同的飞行时间。
通过测量粒子飞行时间和飞行距离的关系，可以计算出粒子的质量和电荷比。
四极杆飞行时间质谱仪在实际应用中具有广泛的用途。
它可以用来分析和鉴定各种物质的成分和结构，包括有机化合物、无机离子、生物大分子等。
同时，该仪器还可以进行质量测定、同位素分析以及反应动力学等研究。
总结起来，四极杆飞行时间质谱仪的工作原理是基于带电粒子在电场和磁场的共同作用下进行运动，通过测量粒子的飞行时
间来确定其质量和电荷比。
这种仪器具有高分辨率、高灵敏度和广泛的应用领域。
带电粒子在磁场中的运动、质谱仪3
第五节带电粒子在磁场中的运动质谱仪教学目标：1.理解洛伦兹力对粒子不做功.2.理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.4.知道质谱仪的工作原理.教学重点：掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题.教学难点：1.粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.2.综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题.教学方法：分析推导法、阅读法.教学用具：电子射线管、环形线圈、电源、投影仪、投影片、滑动变阻器.教学过程：一、复习提问，引入新课［问题］什么是洛伦兹力？［学生答］磁场对运动电荷的作用力.［问题］带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？［学生答］不一定，洛伦兹力的计算公式为f=qvB sinθ，θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当θ=90°时，f=qvB;当θ=0°时，f=0.［问题］带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今天我们来学习——带电粒子在磁场中的运动、质谱仪.二、新课教学［演示实验］介绍电子射线管的工作原理，进行实验.教师讲述电子射线管的工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸气发出辉光，显示出电子的径迹.教师进行演示实验.［实验现象］在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形.［教师引导学生分析得出结论］当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.带电粒子垂直进入匀强磁场中的受力及运动情况分析.［出示投影片］1.电子受到怎样的力的作用？这个力和电子的速度的关系是怎样的？2.洛伦兹力对电子的运动有什么作用？3.有没有其他力作用使电子离开与磁场方向垂直的平面？4.洛伦兹力做功吗？［学生答］1.电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.2.洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小.3.没有力作用使电子离开与磁场方向垂直的平面.4.洛伦兹力对运动电荷不做功.［板书］带电粒子垂直进入匀强磁场中，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.［过渡句］带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径r 和周期T 为多大呢？ ［出示投影片］一带电量为q ，质量为m ,速度为v 的带电粒子垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场中，其半径r 和周期T 为多大？［问题］什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？［学生答］洛伦兹力给带电粒子做圆周运动提供向心力？［问题］向心力的计算公式是什么？［学生答］F =m rv 2［教师推导］粒子做匀速圆周运动所需的向心力F =m rv 2是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以qvB =m r v 2，由此得出r =qBm v T =qB m v r ππ22=可得T =qBm π2 ［板书］带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式.r =qBm v ，T =qB m π2 说明：（1）轨道半径和粒子的运动速率成正比.（2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关.讨论：在匀强磁场中如果带电粒子的运动方向不和磁感应强度方向垂直，它的运动轨道是什么样的曲线？分析：把带电粒子的速度分解为垂直于B 的分量v 1和平行于B 的分量v 2，因为v 1和B 垂直，受到洛伦兹力qv 1B ，此力使粒子q 在垂直于B 的平面内做匀速圆周运动，v 1和B 平行，不受洛伦兹力，故粒子在沿B 方向上做匀速直线运动，可见粒子的运动轨迹是一等距螺旋线.［投影片出示例题］例1 H 11、H 21、He 42它们以下列情况垂直进入同一匀强磁场，求轨道半径之比.（1）具有相同速度（2）具有相同动量（3）具有相同动能解答：依据qvB =mv 2/r 得r =mv /qB（1）v 、B 相同，所以r ∝q m ，所以r 1∶r 2∶r 3=11q m ∶22q m ∶33q m =1∶2∶2 （2）因为mv 、B 相同，所以r ∝1/q ,r 1∶r 2∶r 3=2∶2∶1.（3）221mv 相同，v ∝m 1,B 相同，所以r ∝qm . 所以r 1∶r 2∶r 3=1∶2∶1.例2 如图所示，一质量为m ，电荷量为q 的粒子从容器A 下方小孔S 1飘入电势差为u 的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B 的磁场中，最后打到底片D 上.(1)粒子在S 1区做什么运动?(2)在S 2区做何种运动，在S 3区将做何种运动?(3)假如粒子沿一半圆运动打到底片D 上，B 距离D 多远？解答：(1)粒子在S 1区做初速度为零的匀加速直线运动.（2）在S 2区做匀速直线运动，在S 3区做匀速圆周运动.（3）由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即qu mv 221 由此可得v =m qu /2.粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为r =mv/qB =2/2qB mu ［教师讲解］进入同一磁场时，r ∝qm ，而且这些个量中，u 、B 、r 可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量荷质比.阅读课文，回答以下问题：1.试述质谱仪的结构.2.试述质谱仪的工作原理.3.什么是同位素？4.质谱仪最初是由谁设计的？5.试述质谱仪的主要用途.阅读后学生回答：1.质谱仪由静电加速极、偏转磁场、显示屏等组成.2.电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r ，如果再已知带电粒子的电荷量q ，就可算出它的质量.3.质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素.4.质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计.5.质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具.三、课堂练习1.匀强磁场中，有两个电子分别以速率v 和2v 沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？［学生答］因为电子在匀强磁场中的运动周期和电子的速率无关，所以两个电子同时回到原来的出发点.2.质子和一价钠离子分别垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动，如果它们的圆运动半径恰好相等，这说明它们在刚进入磁场时_______A.速率相等B.动量大小相等C.动能相等D.质量相等 ［学生答］B3.带电粒子在磁场和电场中受力有什么区别呢？［教师引导学生分析得出结论］1.电场对静止或运动的带电粒子都有电场力（库仑力）的作用.磁场只对运动的带电粒子有磁场力（洛伦兹力）的作用（条件是v 与B 不平行）.2.库仑力跟电场强度E 的方向相同（正电荷）或相反（负电荷），洛伦兹力跟磁感应强度B 的方向垂直.3.库仑力不受粒子运动速度的影响，洛伦兹力则与粒子运动速度有关.4.库仑力可以使带电离子加速和偏转，而洛伦兹力只能使带电离子偏转.四、小结本节课我们主要学习了1.洛伦兹力对带电粒子不做功.2.带电粒子的初速度方向和磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.4.知道质谱仪的工作原理.五、板书设计1.带电粒子垂直进入匀强磁场中时，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.2.半径和周期公式的推导由qvB =m Rv 2可得R =mv/qB T =qBm v R ππ22= 说明：（1）轨道半径和带电粒子的运动速率成正比.（2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关.3.质谱仪（1）结构 （2）工作原理六、作业：创新作业 P 119 1—5。
带电粒子在磁场中的运动和质谱仪
带电粒子在磁场中的运动和质谱仪磁场对带电粒子的影响当一个带电粒子在磁场中运动时，它会受到洛仑兹力的作用，该力使它沿着磁力线做圆周运动。
洛仑兹力的大小与粒子的电荷量、速度和磁场的大小有关。
磁质谱仪磁质谱仪是一种用于精确确定分子式和分子质量的仪器。
它利用了带电离子在磁场中的圆周运动和质量的关系。
当一个样品被加热，它会分解成带电离子，这些离子会进入磁质谱仪的磁场区域，而在这个区域中，带电离子将被加速和分离，然后在检测器处产生一个信号，该信号就是关于带电离子种类和数量的信息。
磁质谱仪的工作原理离子化样品的离子化是磁质谱仪分析的第一步。
样品被加热，通常是通过电子轰击或加热诱导，以产生带电离子。
加速器离子化后，离子通过加速器被加速，使得它们的动能在几百电子伏特到几千电子伏特之间。
进入磁场区域离子加速后进入了磁场区域。
在这个区域中，离子受到磁场的作用，而它们的圆周运动的半径与它们的质量有关，因此它们的位置可以用磁质谱仪的检测器来检测。
检测器检测器是磁质谱仪的一个关键组件，在磁场区域内，离子的圆周运动会产生一个信号，这个信号与离子的质量有关。
检测器记录这些信号，然后通过计算得到分子式和分子质量。
磁质谱仪的应用磁质谱仪广泛应用于化学和生物学领域中，可用于分析化合物和生物分子的组成和结构。
在化学上，它用于确定有机化合物的分子量和化合物的结构，它还可以在分析药物和天然产物时发挥重要作用。
在生物学上，它被用于测定蛋白质和DNA分子的结构和组成。
总的来说，磁质谱仪是一种非常重要的仪器，它可以通过带电离子在磁场中的圆周运动和质量的关系，快速准确地确定分子式和分子质量。
物理教案-带电粒子在磁场中的运动 质谱仪
物理教案－带电粒子在磁场中的运动质谱仪一、教学目标1.理解带电粒子在磁场中的运动规律。
2.掌握质谱仪的原理及其在科研和实际应用中的价值。
3.培养学生的实验操作能力和观察能力。
二、教学重点与难点1.教学重点：带电粒子在磁场中的运动规律，质谱仪的原理。
2.教学难点：带电粒子在磁场中的圆周运动方程推导，质谱仪中粒子运动的数学处理。
三、教学准备1.教具：磁铁、粒子源、示波器、计算机等。
2.教材：《物理》课本相关章节。
3.教学软件：动画演示软件、实验数据处理软件。
四、教学过程第一课时：带电粒子在磁场中的运动1.引入新课通过提问方式引导学生回顾previously学习过的电荷、电流、磁场等基础知识。
简要介绍带电粒子在磁场中的运动规律。
2.探究带电粒子在磁场中的运动利用实验装置演示带电粒子在磁场中的运动轨迹。
引导学生观察并记录实验现象。
3.推导带电粒子在磁场中的圆周运动方程根据实验现象，引导学生分析带电粒子在磁场中受到的洛伦兹力。
利用牛顿第二定律推导出带电粒子在磁场中的圆周运动方程。
4.课堂小结强调圆周运动方程在实际应用中的重要性。
第二课时：质谱仪1.引入新课通过提问方式引导学生回顾上节课学习的带电粒子在磁场中的运动规律。
简要介绍质谱仪的原理。
2.质谱仪的原理利用动画演示软件，展示质谱仪的工作原理。
引导学生分析质谱仪中粒子运动的数学处理。
3.质谱仪的应用介绍质谱仪在科研、医疗、环保等领域的应用。
通过实例分析，让学生了解质谱仪在实际工作中的应用价值。
4.实验操作分组进行实验操作，观察带电粒子在磁场中的运动轨迹。
利用实验数据处理软件，分析实验数据。
5.课堂小结强调实验操作和数据分析在物理学习中的重要性。
第三课时：巩固与提高1.巩固知识通过提问、讨论等方式，检查学生对带电粒子在磁场中的运动规律和质谱仪原理的理解程度。
2.课堂练习布置相关练习题，让学生独立完成。
对学生的答案进行点评和讲解。
3.提高能力针对学生的实际情况，布置拓展性作业，提高学生的物理素养。
六、带电粒子在磁场中的运动 质谱仪.
六、带电粒子在磁场中的运动 质谱仪【要点导学】1、本节学习带电粒子垂直进入匀强磁场时的运动规律，应学会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式、周期公式，并会用它们解答有关问题，知道质谱仪的工作原理和应用。
2、带电粒子以垂直于磁场的速度进入磁场时，根据左定则粒子所受的洛伦兹力既垂直于_____方向、又垂直于________方向，即洛伦兹力垂直于速度方向、磁感应强度方向所构成的平面，没有任何力驱使粒子离开洛伦兹力和速度构成的平面．又因为洛伦兹力对带电粒子不做功，根据动能定理，粒子的动能不变，即速度大小不变，洛伦兹力仅在不断改变粒子的速度____，粒子做半径公式为___________,周期为______________的匀速圆周运动。
3、粒子的_______________之比叫做比荷，比荷是带电粒子的一种基本属性，质谱仪是测定带电粒子比荷的重要仪器，利用质谱仪可以精确测定某种元素的原子量，区分同位素．【范例精析】例1、有一圆形边界的匀强磁场区域，一束质子流以不同的速率，由圆周上的同一点，沿半径方向射入磁场，质子在磁场中【 】A ．路程长的运动时间长B ．速率小的运动时间短C ．偏转角度大的运动时间长D ．运动的时间有可能无限长解析： 质子在圆形磁场中走过一段圆弧后离开圆形磁场区域，如图15-6-1所示，由几何关系可知ABO O '四点共圆，tan θ=R/r=BqR/mv ，质子在磁场中运动的时间为t=2θT/2π=θT/π,由于周期不变，所以在磁场中的运动时间与θ成正比．当质子的速度较小时，对应的θ较大，即运动时间较长；粒子偏转角度大时对应的运动时间也长，由于质子最终将离开圆形磁场，所以在磁场中运动的时间不可能无限长，本题的正确选项是BC ．拓展： 粒子在圆形磁场中的运动时间到底由什么因素决定？应养成配图分析的习惯、推导粒子在磁场中运动时间的决定因素，在这个基础上再对各个选项作出判断。
高中物理第二册带电粒子在磁场中的运动 质谱仪1
带电粒子在磁场中的运动质谱仪●本节教材分析本节首先通过实验告诉学生，当带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动这一结论，然后试着让学生自己分析粒子为什么做匀速圆周运动.之后，可分以下几步进行引导：（1）帮助学生回忆有关的力学知识：根据粒子的初速度、初始位置和受力情况能够确定粒子的运动轨迹和速度变化等.（2）启发学生分析粒子受洛伦兹力的方向和速度的方向都在与磁感应强度方向垂直的平面内，故粒子总在这一平面内运动.（3）引导学生根据洛伦兹力总与速度方向垂直的特点，得出速度大小不变，方向在变.（4）根据质点做匀速圆周运动的条件，得出粒子做匀速圆周运动的结论.2.粒子运动的轨道半径和周期公式的推导，不但要用到洛伦兹力的知识，还要用到力学知识.在推导过程中，教材尽可能思路简明，突出公式间的物理联系，以期学生较好地理解这两个公式的物理意义.这两个公式也可以让学生自己推导，要求学生重在理解公式是如何导出的，不要死记公式.3.对物理公式的定性理解很重要，它不但有助于学生对公式的记忆.更重要的是，能够帮助学生理解相应的物理过程和物理规律.教学中要引导学生对半径公式和周期公式的定性理解.让学生根据学过的力学知识理解为什么轨道半径与粒子质量和粒子速度成正比，与粒子电荷量和磁感应强度成反比；为什么运动周期与粒子质量成正比，与粒子电荷量和磁感应强度成反比；为什么运动周期与粒子速度和轨道半径无关.●教学目标一、知识目标1.理解洛伦兹力对粒子不做功.2.理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动.3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.4.知道质谱仪的工作原理.二、能力目标1.通过讨论带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动，培养学生的分析综合能力.2.通过推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式，培养学生的理解能力和推理能力.三、德育目标通过讲述带电粒子在科技、生产与生活中的典型应用，培养学生热爱科学、致力于科学研究的价值观.●教学重点带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式，并能用来分析解决有关问题.●教学难点1.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的条件.2.对周期公式和半径公式的定性理解.●教学方法在教师指导下的启发式教学方法.●教学用具电子射线管、环形线圈、电源、投影仪、投影片、滑动变阻器.●课时安排1课时●教学过程一、引入新课［师］什么叫洛伦兹力？其大小和方向怎样确定？［生］磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力.当电荷在垂直于磁场的方向上运动时，磁场对运动电荷作用力的大小等于电荷的电荷量、速率跟磁感应强度的乘积.可用左手定则判断洛伦兹力的方向.［师］今天，我们要进一步探讨带电粒子在磁场中的运动规律.这不仅在理论上很重要，而且在高科技中有广泛的应用：高能粒子的加速；电子显微镜中的磁聚焦；微观粒子荷质比的测定等.我们将借助电子射线管有声有色地揭示我们所要学习的知识和规律.（板书课题）带电粒子在磁场中的运动质谱仪.二、新课教学1.运动轨迹［师］上节课中，同学们看到了电子射线管中的电子束在磁场中发生偏转的现象，下面请同学们进一步观察.［演示］首先简介课前调试好的一台J L834型洛伦兹力演示仪，接着演示电子射线管内的电子在匀强磁场中几种具有代表性的运动轨迹.请同学们注意观察各现象及相应的条件，并予以描述.［生甲］当电子的运动方向与磁场方向平行时，电子的运动轨迹是直线.［生乙］当电子的运动方向与磁场方向不平行也不垂直时，电子的运动轨迹是螺旋线.［生丙］当电子的运动方向与磁场方向垂直时，电子的运动轨迹是圆.［师］为什么在v⊥B的条件下，粒子的运动轨迹是圆形呢？电子做的是匀速圆周运动吗？请同学们试着用学过的运动学和动力学知识进行论证.［生甲］电子做的是匀速圆周运动.因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直，对粒子不做功，根据动能定理粒子运动的速率不变，洛伦兹力只改变粒子的运动方向.这时洛伦兹力F=q v B大小不变，方向总与粒子的运动方向垂直且指向圆心，因此带电粒子做匀速圆周运动.［生乙］当带电粒子垂直射入匀强磁场中时，粒子的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场方向垂直的平面内，没有任何作用使粒子离开这个平面，所以粒子只能在这个平面内运动.由于洛伦兹力提供向心力，所以带电粒子做匀速圆周运动，其运动轨迹是圆形.［师］两位同学的回答都正确.请同学们根据刚才的实验，回答下列几个问题：［问题1］带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的条件是什么？［生］带电粒子在磁场中做匀速圆周运动需满足两个条件：①匀强磁场；②v⊥B.［问题2］带电粒子在磁场中做匀速圆周运动时，受力有什么特点？［生］粒子只受洛伦兹力F=qvB作用，且洛伦兹力提供向心力.［问题3］带电粒子垂直进入匀强磁场中的运动特点是什么？［生］匀速圆周运动.［师］既然带电粒子垂直进入匀强磁场中时做匀速圆周运动，那么圆周的轨道半径和周期与哪些因素有关呢？让我们进行推导.2.轨道半径和周期出示投影片：一带电粒子的质量为m，电荷量为q，速率为v，它在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，求轨道半径有多大？［师］什么力提供了带电粒子做匀速圆周运动的向心力？［生］粒子所受的洛伦兹力提供了它做匀速圆周运动的向心力.［师］带电粒子所受的洛伦兹力大小如何？做匀速圆周运动需要的向心力多大？ ［生］洛伦兹力的大小为F =qvB ，向心力的大小为F 向=mrv 2. ［师］根据洛伦兹力提供向心力得方程： qvB =mr v 2 由此解得轨道半径为 r =qB mv［师］请同学们利用匀速圆周运动的知识求轨道周期.［生］将r =qB mv代入周期公式T =vr π2，解得轨道周期T =qB m π2. ［师］公式r =qB mv表明，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动半径决定于什么因素？［生］带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径决定于粒子的动量，运动的动量越大，轨道半径越大.［师］公式T =qB m π2表明，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率有关吗？［生］无关.［投影］如图所示，一质量为m ，电荷量为q 的粒子从容器A 下方小孔S 1飘入电势差为U 的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B 的磁场中，最后打到底片D 上.(1)粒子在S 1区做什么运动?(2)在S 2区做何种运动，在S 3区将做何种运动?(3)粒子进入磁场时的速率？（4）粒子在磁场中运动的轨道半径？解析：（1）由于S 1区有加速电场，故带电粒子在电场力的作用下做匀加速直线运动.（2）在S 2区带电粒子不受任何力的作用，故带电粒子做匀速直线运动；在S 3区有匀强磁场，故带电粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动.（3）粒子进入加速电场时的速度很小，可以认为等于零.粒子进入磁场时的速率v 等于它在电场中被加速而得到的速率.由动能定理可知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即qU =21mv 2 由此可解出v =m qU2（4）粒子垂直进入匀强磁场中后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，据洛伦兹力提供向心力，有qvB =m rv 2 解得r =qB mv =22qB mU3.质谱仪［师］请同学们阅读教材181页质谱仪部分，并回答下列问题.［问题1］质谱仪主要由哪几部分构成？［生］质谱仪由静电加速极、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成.［问题2］质谱仪的工作原理是什么？［生］电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线.每一条谱线对应于一定的质量.从谱线的位置可以知道圆周的半径r ，如果再已知带电粒子的电荷量q ，就可以算出它的质量，这种仪器叫做质谱仪.［问题3］什么叫同位素？［生］质子数相同而中子数不同的同一种元素叫同位素.［问题4］质谱仪最初是由谁设计的？［生］质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的.［问题5］质谱仪的主要用途是什么？［生］质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具.三、小结通过本节课的学习，主要学习了以下几个问题：1.当带电粒子垂直进入匀强磁场中时，粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动.2.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r =qB mv ,周期T =qB m 2.3.利用质谱仪可以测定带电粒子的质量.四、作业1.P 182练习四（1）、（2）、（3）、（6）.2.预习回旋加速器.五、板书设计。
MS的解析原理及规律
MS的解析原理及规律在现代科学技术的发展中，质谱（Mass Spectrometry，简称MS）被广泛应用于各个领域，如有机化学、生物化学、环境科学等。
质谱仪作为MS的核心设备，通过一系列的分析过程，能够对样品中的分子进行精确的测定和鉴定。
本文将介绍质谱的解析原理及规律。
一、质谱的基本原理质谱的基本原理是基于带电粒子在磁场中偏转的现象，结合粒子在电源中的加速和离子的质量-荷比（m/z）比较的原理，进行样品的分析和测量。
1. 产生离子首先，在质谱仪中需要产生带电的离子。
这可以通过各种方法实现，如电离、化学反应、热解离等。
其中，最常用的方法是电子轰击电离（Electron Impact，EI），即通过向样品中注入高能电子，使样品分子中的电子获得足够的能量从而被剥离形成带电的分子离子。
2. 加速和分离离子产生的离子需要通过电场和磁场的作用进行加速和分离。
在质谱仪中，通常使用加速电压和磁感应强度来控制离子移动的速度和轨迹。
正负电荷的离子会在电场的作用下加速或减速，同时在磁场中偏转。
不同质量的离子受到磁场的影响程度不同，因此会在离子轨迹上出现分离。
3. 检测和记录离子经过加速和分离后的离子，会进入到质谱仪的检测系统中。
常用的检测系统有离子倍增器（Ion Multiplier），它能将进入的离子转化为电流信号。
检测到的信号可以通过信号放大和数字化处理后记录下来，形成质谱图。
二、质谱的解析规律在进行质谱分析时，我们可以根据离子的质量-荷比（m/z）值来鉴定样品中的化合物。
质谱图中，离子的质量被表示在横坐标上，而离子的相对丰度则被表示在纵坐标上。
通过观察和分析质谱图，我们可以得到以下的解析规律：1. 质谱峰的位置与分子结构相关质谱图中的质谱峰对应于离子的质量-荷比（m/z）值。
对于有机化合物，它们的质谱峰通常是由分子离子（M+）、基本碎片离子和杂质离子等组成。
其中，分子离子峰的质量-荷比值等于化合物的相对分子质量。
带电粒子在磁场中的运动 质谱仪
带电粒子在磁场中的运动质谱仪教学目标能力目标通过推理、判断带电粒子在磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理能力．学习物理学习教学建议教材分析本节重点是研究带电粒子垂直射入匀强磁场中的运动规律：半径以及周期，通过复习相关力学知识，利用力于运动的关系突破这一重点，需要注意的是：1、确定垂直射入匀强电场中的带电粒子是匀速圆周运动；2、带电粒子的重力通常不考虑。
教法建议由于我们研究的是带电粒子在磁场中的运动情况，研究的是磁场力与运动的关系，因此教学开始，需要学生回忆相关的力学知识，为了引导学生分析推导粒子做匀速圆周运动的原因、规律，教师可以通过实验演示引入，让学生认真观察实验现象，结合运动和力的关系分析原因，总结规律，积极思考、讨论例题，对规律加深理解、提高应用能力．最后通过例题讲解，加深知识的理解．--方案带电粒子在磁场中的运动质谱仪教育（一）知识教学点1、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，做匀速圆周运动．2、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题．3、知道质谱仪的工作原理．（二）能力训练点通过推理、判断带电粒子在磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理能力．（三）德育渗透点学习（四）美育渗透点物理二、学法引导1、教师通过演示实验法引入，复习提问法引导学生分析推导粒子做匀速圆周运动的原因、规律．通过例题讲解，加深理解．2、学生认真观察实验现象，结合运动和力的关系分析原因，总结规律，积极思考、讨论例题，对规律加深理解、提高应用能力．三、重点难点疑点及解决办法1、重点带电粒子垂直射入匀强磁场中的运动半径和运动周期．2、难点确定垂直射入匀强磁场中的带电粒子运动是匀速圆周运动．3、疑点带电粒子的重力通常为什么不考虑？4、解决办法复习力学知识、引导同学利用力与运动的关系分析，讨论带电粒子在磁场中的运动情况。
四、课时安排1课时五、教具学具准备演示用特制的电子射线管。
带电粒子在磁场中的运动质谱仪
4、质谱仪工作原理
4．质谱仪工作原理 （1带电粒子经加速电场： （2带电粒子经速度选择器： （3）带电粒子经偏转磁场： （d为轨道直径） 由此可得：比荷 ； 质量 通过测定d得比荷，再由q可得质量．
【例1】氢的同位素氕、氘、氚的原 子核分别以相同的速率和相等的动量 值在匀强磁场中在垂直磁场方向的平 面内做匀速圆周运动，试分别确定他 们的轨道半径之比 和运动周期之比 ．
复 习
1.电流在磁场中会受到的磁场的作用力 1.电流在磁场中会受到的磁场的作用力 2.安培力的大小: F=BIL 2.安培力的大小 安培力的大小: 3.安培力的方向的确定: 3.安培力的方向的确定 安培力的方向的确定: 左手定则: 左手定则: 让磁感线垂直穿入手心 四指指向I的方向 四指指向 的方向 大拇指指向F 大拇指指向 安的方向
(2) 半径的确定和计算 利用平面几何关系,求出该圆的可能半径 或圆心角 利用平面几何关系 求出该圆的可能半径(或圆心角 ． 求出该圆的可能半径 或圆心角)． 并注意以下两个重要的几何特点： 并注意以下两个重要的几何特点： a. 粒子速度的偏向角(φ)等于回旋角 (α)，并等于AB 粒子速度的偏向角 等于回旋角 ，并等于 弦与切线的夹角(弦切角 的 倍 如图 如图) 弦与切线的夹角 弦切角θ)的2倍 (如图 ， 弦切角 即．φ=α=2θ=ωt b. 相对的弦切角 相等， 相对的弦切角(θ)相等 相等， 与相邻的弦切角(θ′)互补， 与相邻的弦切角 互补， 互补 即．θ+θ′ =180° ° v θ A O′ (偏向角 偏向角) 偏向角 θ B θ′
解析：
对在匀强电场和磁场正交区域内保持 原来的运动方向的粒子，其电场力等于 洛伦兹力： E qE = qvB 得： v = B 即速度相同的粒子进入到后一磁场，由 偏转半径r=mv/qB不同，知它们的荷质比一 定各不相同． 所以 D 正确
高中物理第二册带电粒子在磁场中的运动 质谱仪3
15.5带电粒子在磁场中的运动质谱仪【教学目标】1、知识目标(1)理解洛伦兹力对粒子不做功.(2)理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动；(3)会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题；(4)知道质谱仪的工作原理。
2、能力目标能综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题。
3、德育目标培养学生的分析推理能力。
【教学重点】掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题。
【教学难点】(1)粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动；(2)综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题。
【教学方法】分析推导法、阅读法。
【教具准备】电子射线管、环形线圈、电源、投影仪、投影片、滑动变阻器。
【课时安排】1课时【教学过程】一、导入新课问题：什么是洛伦兹力？磁场对运动电荷的作用力。
问题：带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？不一定，洛伦兹力的计算公式为f=qvBsinθ，θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当θ＝90º时，F ＝qvB；当θ＝0º时，F＝0。
带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今天我们来学习──带电粒子在磁场中的运动、质谱仪。
二、新课教学1、带电粒子在匀强磁场中的运动(1)带电粒子的运动方向与磁场方向平行当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，粒子不受洛伦兹力。
所以，此时粒子做匀速直线运动。
粒子做匀速直线运动。
(2)带电粒子的运动方向与磁场方向垂直①运动轨迹垂直射入匀强磁场中的带电粒子，在洛伦兹力F＝qvB的作用下，将会偏离的运动方向。
那么带电粒子的运动轨迹是怎样的呢？演示：介绍电子射线管的工作原理，进行实验。
电子射线管的工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸气发出辉光，显示出电子的径迹。
现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形。
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【本讲主要内容】带电粒子在有界磁场中运动、质谱仪【解题方法指导】例1. 在垂直于磁感应强度为B的匀强磁场内建立平面直角坐标系。
有一质量为m、带电量为－q的微粒，从坐标原点O，在xOy平面内以和＋y轴成30°角的方向、大小为v0的速度射出，如图所示，求微粒运动轨迹的圆心坐标。
出。
求粒子射出磁场时的偏转位移和穿越磁场所用的时间。
图a点拨：（1）粒子进入磁场后受哪些力？做什么性质的运动？（2）如何确定粒子在磁场中运动的半径、圆心？这种确定圆心、半径的方法具有一般性吗？解析：画出粒子的偏转圆弧，确定圆心，如图b所示。
图b例3. 如图a所示，分界面的上、下两侧是匀强磁场，磁感强度大小为B，方向相反。
一个质量为m、电量为＋q的粒子以速度v由P点沿与界面成30°角的方向射入上边的匀强磁场，则该粒子的运动周期为____________，在一个周期的时间内，沿界面前进的平均速度为____________。
图a解析：该题应用带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的规律求解。
如图b所示，设带电粒子由P到Q所用时间为t，则图a点拨：（1）粒子做圆周运动的圆心位置大体在哪里？P点在磁场里还是在磁场外？能否在磁场边界上？（2）粒子离开磁场后做什么运动？该运动轨迹与粒子在磁场中的圆周运动轨迹有什么几何关系？解析：粒子在磁场中受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动，设其半径为r，则qvB m v r=2①（1）如果质子经过坐标原点O，它的速度为多大？（2）如果α粒子与质子在坐标原点相遇，α粒子的速度应为何值？方向如何？图a图b设α粒子的速度为v α，由牛顿定律得q v B m v r ααααα=2解得v eBl mα=240方向有两个，用α粒子速度方向与x 轴正方向夹角θ表示，θπθπ12434==，。
说明：分析两个带电粒子的周期关系，正确作出运动轨迹图是解决这类题目的关键。
【达标测试】1. 一个带电粒子以初速度v 0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿出电场后接着又进入匀强磁场区域。
设电场和磁场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方向平行，如图中的虚线所示。
在图中所示的几种情况中，可能出现的是（ ）2. 如图所示，正方形容器处于匀强磁场中，一束电子从孔a 垂直于磁场沿ab 方向射入容器中，其中一部分从c 孔射出，一部分从d 孔射出，容器处于真空中，则下列结论中正确的是（ ）A. 从两孔射出的电子速率之比v v c d ：：=21B. 从两孔射出的电子在容器中运动的时间之比t t c d ：：=12C. 从两孔射出的电子在容器中运动的加速度大小之比a a c d ：：=21D. 从两孔射出的电子在容器中运动时的角速度之比ωωc d ：：=213. 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S可以发出各种不同的正离子束，离子从S出来时速度很小，可看作是静止的。
离子经过加速电场被加速后垂直进入有界匀强磁场（图中虚线框所示），并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点，测得P点到入口处S1的距离为x，则下列说法正确的是（）A. 若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B. 若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C. 只要x相同，则离子质量一定相同D. 只要x相同，则离子的比荷一定相同4. 一匀强磁场，磁场方向垂直于xOy平面，在xOy平面上，磁场分布在以O为圆心的一个圆形区域内。
一个质量为m、电荷量为q的带电粒子，由原点O开始运动，初速为v，方向沿x轴正方向。
后来，粒子经过y轴上的P点，如图所示。
不计重力的影响，粒子经过P 点时的速度方向可能是图中箭头表示的（）A. 只有箭头a、b是可能的B. 只有箭头b、c是可能的C. 只有箭头c是可能的D. 箭头a、b、c、d都是可能的5. 在同一匀强磁场中，质子和电子各自在垂直于磁场的平面内做半径相同的匀速圆周运动，质子的质量为mp ，电子的质量为me。
则下列正确的为（）①质子与电子的速率之比等于m me p/②质子与电子的动量大小之比等于m me p/③质子与电子的动能之比等于m me p/④质子与电子的圆周运动周期之比等于m me p/A. ①②B. ②③C. ①③D. ③④6. 如图所示，OO'为水平挡板，S为一电子源，它可以向a、b、c、d四个垂直磁场的方向发射速率相同的电子（ac垂直OO'，bd平行OO'），板OO'下方有垂直纸面向里的匀强磁场，磁场范围足够大。
不计电子重力，则击中挡板可能性最大的方向是（）A. aB. bC. cD. d7. 如图所示，有一磁感应强度B T =⨯-91104.的匀强磁场，C 、D 为垂直于磁场方向的一平面内的两点，今有一电子在此磁场中运动，它经过C 点时的速度v 的方向和磁场垂直，且与CD 之间的夹角θ=︒30，电子在运动中后来又经过D 点，则电子从C 点第一次到D 点所用的时间是_________________s 。
8. 如图所示，以ab 为分界面的两个匀强磁场，方向均垂直于纸面向里，其磁感应强度B B 122=，现有一质量为m 、电荷量为q 的粒子从O 点沿图示方向以速度v 运动，经过t=___________的时间粒子重新回到O 点。
9. 带电粒子的质量m kg =⨯-171027.，电荷量q C =⨯-161019.，以速度v m s =⨯32106./，沿垂直于磁场同时又垂直于磁场边界的方向进入匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B T =017.，磁场的宽度L cm =10，如图所示，求： （1）带电粒子离开磁场时的速度多大？偏转角多大？ （2）带电粒子在磁场中运动多长时间？出磁场时偏离入时方向的距离多大？m【综合测试】1. 如图所示，在第I象限内有垂直纸面向里的匀强磁场，一对正、负电子分别以相同速率，沿与x轴成30°的方向从原点射入磁场，则正、负电子在磁场中运动的时间之比为（）A. 1：2B. 2：1C. 1：3D. 1：12. 如图所示，在一半径为R的圆形区域内存在着匀强磁场，磁场方向垂直于圆面向里。
一个带电粒子从磁场边界的A点以指向圆心O的方向进入磁场区域内，粒子将做圆周运动到达磁场边界的C点。
若在粒子经过D点时，恰好与一个原来静止在该点的不带电的粒子碰撞后结合在一起形成新粒子，关于这个新粒子的运动情况，以下判断正确的是（设带电粒子仅受洛伦兹力）（）A. 新粒子的运动半径将减小，可能到达F点B. 新粒子的运动半径将增大，可能到达E点C. 新粒子的运动半径将不变，仍然到达C点D. 新粒子在磁场中的运动时间将变短3. 质量为m、电荷量为e的电子的初速为零，经电压为U的加速电场加速后进入磁感应强度为B的偏转磁场（磁场方向垂直纸面），其运动轨迹如图所示。
则以下说法中正确的是（）A. 加速电场的场强方向向上B. 偏转磁场的磁场方向垂直纸面向里C. 电子经加速电场加速后，开始进入磁场时的动能E eUk=D. 电子在磁场中所受的洛伦兹力的大小为feBmeUm =24. 如图所示，有a、b、c、d四个离子，它们带同种电荷且电荷量相等，它们的速率关系6. 如图所示为正方体空腔的横截面，a、c、d为三个小孔，腔内匀强磁场B垂直纸面向里。
一束具有相同电荷量的粒子由a孔沿ab方向射入空腔，恰好分别从c、d两孔射出，则从两：=_________。
孔射出的粒子带________电，它们的动量之比p pc d7. 电子的质量为m，电荷量为e，以速度v从x轴某点垂直于x轴进入上方的匀强磁场区知该粒子从射入到射出磁场所用的时间为t，求I区和II区中的磁感应强度的大小（忽略粒子重力）。
10. 如图a 所示，在真空中半径r m =⨯-30102.的圆形区域内，有磁感应强度B T =02.、方向如图所示的匀强磁场，一批带正电的粒子以初速度v m s 061010=⨯./从磁场边界上直径ab 的一端a 向着各个方向射入磁场，且初速方向与磁场方向都垂直，该粒子的比荷q/m=10108./⨯C kg ，不计粒子重力。
求： （1）粒子在磁场中运动的最长时间；（2）若射入磁场的速度改为v m s 053010=⨯./，其他条件不变，试用斜线画出该粒子在磁场中可能出现的区域。
（sin .cos .37063708︒=︒=，）11. 如图a 所示，在x 轴上方有垂直于xOy 平面向里的匀强磁场，磁感应强度B ；在x 轴下方有沿y 轴负方向的匀强电场，场强为E 。
一质量为m 、电荷量为－q 的粒子从坐标原点O 沿着y 轴正向射出，射出之后第3次到达x 轴时，它与点O 的距离为L ，求此粒子射出的速度v 和运动的总路程s （重力不计）。
【达标测试答案】1. A2. AB3. AD4. B5. C6. D7. 65109.⨯-8. 2πm qB9. 解析：粒子所受的洛伦兹力f qvB N ==⨯-871014.，远大于粒子所受的重力G N =⨯-171026.，重力可忽略不计。
由洛伦兹力公式和牛顿定律得，qv B m v R 002=式中R 为圆轨道半径，解得R mv qB=0。
圆轨道的圆心C 位于OA 的中垂线上，由几何关系得，lR 2=sin θ。
解得：q m v lB=20sin θ11. 解析：设加速电场加速电压为U ，可求得带电粒子进入速度选择器时的速度v ，根据平衡条件知道，只有速度为v 的带电粒子才能被选择。
粒子做匀速圆周运动时，根据洛伦兹力充当向心力，建立q/m 的关系。
在P 1、P 2之间，由qvB qE 1=可知，只有速度为v E B =/1的粒子才能通过。
这一装置叫速度选择器，S 0以下的空间只存在磁场B 2，不存在电场，带电粒子在洛伦兹力的作用下将做半径为R （R d=2）的匀速圆周运动。
qvB 2=mv 2/R 即qB mE B R=/区和II 区中磁感应强度、轨道半径和周期qvB m v R qvB mv R 121222==，T R v m qB T R v m qB 1112222222====ππππ，设圆形区域的半径为r ，如图所示，已知带电粒子过圆心且垂直A A 24进入II 区磁场。
连接A A A OA 1212，∆为等边三角形，A 2为带电粒子在I 区磁场中运动轨迹的圆心，其轨迹的半径R A A OA r 1122===，如图b 所示。
（2）RmvqBm'.'==⨯-021510，粒子在磁场中可能出现的区域如图所示（以aO为直径的半圆加上以a为圆心、aO为半径所作圆与磁场相交的部分）。
如图c所示。